一種基于ZigBee和PLC的溫室控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于ZigBee和PLC的溫室控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括上位機(jī)、ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、ZigBee路由器、ZigBee協(xié)調(diào)器、PLC、開關(guān)輸入模塊和執(zhí)行輸出模塊，PLC分別與上位機(jī)、ZigBee協(xié)調(diào)器、開關(guān)輸入模塊、執(zhí)行輸出模塊相連接，ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與ZigBee路由器相連接，ZigBee路由器與ZigBee協(xié)調(diào)器相連接，執(zhí)行輸出模塊包括連接在PLC上的繼電器模塊以及與繼電器模塊相連的遮陽網(wǎng)執(zhí)行電機(jī)、天窗側(cè)窗執(zhí)行電機(jī)、濕簾風(fēng)機(jī)、環(huán)流風(fēng)機(jī)、濕簾外窗電機(jī)、補(bǔ)光燈、CO2發(fā)生器、加熱水泵和報(bào)警燈。該系統(tǒng)解決了現(xiàn)有溫室監(jiān)控系統(tǒng)布線復(fù)雜，維護(hù)困難和可靠性不高等問題。
【專利說明】
一種基于Z i gBee和PLC的溫室控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種基于ZigBee和PLC的溫室控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]溫室是一種可以改變植物生長環(huán)境，為植物生長創(chuàng)造更好條件、避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ζ溆绊懙膱鏊?。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種園藝溫室和農(nóng)作物溫室的數(shù)量在不斷的增加，目前我國溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要基于有線方式，一般需要在土壤中鋪設(shè)大量的電纜，其存在著布線復(fù)雜，抗干擾能力差，功耗大，投資成本高和安裝維護(hù)困難等缺陷，采用無線的方式進(jìn)行溫室環(huán)境參數(shù)的采集和傳輸可以解決上述問題，ZigBee技術(shù)是近幾年來發(fā)展的一種新型無線通信技術(shù)，其具有低功耗，成本低，時(shí)延短，網(wǎng)絡(luò)容量大，可靠安全等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用在短距離內(nèi)的低速率無線傳輸?shù)膱龊现小?br>[0003]同時(shí)溫室內(nèi)高溫高濕的環(huán)境對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性要求較高，目前溫室監(jiān)控系統(tǒng)常采用的單片機(jī)系統(tǒng)難以滿足要求，而可編程邏輯控制器PLC則具有構(gòu)成靈活，擴(kuò)展容易，使用方便，編程簡單和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可大大提高系統(tǒng)的可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，提出了一種基于ZigBee技術(shù)與PLC的溫室監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了現(xiàn)有技術(shù)中布線復(fù)雜、維護(hù)不方便和可靠性差等問題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度等環(huán)境因子的實(shí)時(shí)采集和無線傳輸，作為主控制器的PLC能按照預(yù)先設(shè)定的參數(shù)和從ZigBee協(xié)調(diào)器傳輸來的數(shù)據(jù)對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以滿足不同農(nóng)作物的生長要求。
[0005]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0006]一種基于ZigBee和PLC的溫室控制系統(tǒng)，其特征在于，包括上位機(jī)、ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、ZigBee路由器、ZigBee協(xié)調(diào)器、PLC、開關(guān)輸入模塊和執(zhí)行輸出模塊，所述PLC分別與上位機(jī)、Z i gBe e協(xié)調(diào)器、開關(guān)輸入模塊、執(zhí)行輸出模塊相連接，所述的Z i gBe e數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與ZigBee路由器相連接，所述的ZigBee路由器與ZigBee協(xié)調(diào)器相連接，所述的ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)包括無線單片機(jī)以及與無線單片機(jī)相連接的傳感器模塊、電源模塊、無線耦合匹配模塊和液晶顯示模塊，所述的ZigBee路由器包括無線單片機(jī)以及與無線單片機(jī)相連接的電源模塊，無線耦合匹配模塊、鍵盤模塊和液晶顯示模塊，所述的ZigBee協(xié)調(diào)器包括無線單片機(jī)以及與無線單片機(jī)相連接的通訊模塊、電源模塊，無線耦合匹配模塊、鍵盤模塊和液晶顯示模塊，所述的執(zhí)行輸出模塊包括連接在PLC上的繼電器模塊。
[0007]作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，所述的執(zhí)行輸出模塊還包括與繼電器模塊相連接的遮陽網(wǎng)執(zhí)行電機(jī)、天窗側(cè)窗執(zhí)行電機(jī)、濕簾風(fēng)機(jī)、環(huán)流風(fēng)機(jī)、濕簾外窗電機(jī)、補(bǔ)光燈、C02發(fā)生器、加熱水栗和報(bào)警燈。
[0008]作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，所述的傳感器模塊包括溫濕度傳感器、光照度傳感器和二氧化碳傳感器。
[0009]作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，所述的ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、ZigBee路由器和ZigBee協(xié)調(diào)器中的無線單片機(jī)型號(hào)選用CC2530單片機(jī)。
[0010]作為本實(shí)用新型的一種優(yōu)選方案，所述的PLC選用西門子S7-200系列的CPU226。
[0011]本實(shí)用新型有益效果是:
[0012]I)本實(shí)用新型采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室環(huán)境內(nèi)的溫度、濕度、光照度和二氧化碳濃度等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和無線傳輸，節(jié)省了大量布線的成本。
[0013]2)本實(shí)用新型通過利用樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，具有易連接，易管理和易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，能更好的滿足溫室大棚控制要求。
[0014]3)本實(shí)用新型采用PLC作為主控制器，其抗干擾性能強(qiáng)，工作穩(wěn)定，能有效的提高溫室控制系統(tǒng)的可靠性。
【附圖說明】
[0015]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。
[0016]圖1是本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)框圖。
[0017]圖2是本實(shí)用新型中ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3是本實(shí)用新型中ZigBee協(xié)調(diào)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖4是本實(shí)用新型中ZigBee路由器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)新型進(jìn)行進(jìn)一步說明，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。
[0021]如圖1所示，一種基于ZigBee和PLC的溫室控制系統(tǒng)，包括上位機(jī)、ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、ZigBee路由器、ZigBee協(xié)調(diào)器、PLC、開關(guān)輸入模塊和執(zhí)行輸出模塊，所述PLC分別與上位機(jī)、ZigBee協(xié)調(diào)器、開關(guān)輸入模塊、執(zhí)行輸出模塊相連接，所述的ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與ZigBee路由器相連接，所述的ZigBee路由器與ZigBee協(xié)調(diào)器相連接，所述的執(zhí)行輸出模塊包括連接在PLC上的繼電器模塊以及與繼電器模塊相連的遮陽網(wǎng)執(zhí)行電機(jī)、天窗側(cè)窗執(zhí)行電機(jī)、濕簾風(fēng)機(jī)、環(huán)流風(fēng)機(jī)、濕簾外窗電機(jī)、補(bǔ)光燈、C02發(fā)生器、加熱水栗和報(bào)警燈。
[0022]本實(shí)施例中，所述的PLC選用西門子S7-200系列的CPU226CN，CPU226具有24個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)和16個(gè)數(shù)字輸出點(diǎn)，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，它包括22KB數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)空間，2個(gè)獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器。它具有2個(gè)RS485通訊/編程接口，其中一個(gè)通訊接口與上位機(jī)通過RS232轉(zhuǎn)RS485轉(zhuǎn)換器相連接，另外一個(gè)通訊接口也通過RS232轉(zhuǎn)RS485轉(zhuǎn)換器與ZigBee協(xié)調(diào)器相連。
[0023]開關(guān)輸入模塊包括啟動(dòng)按鈕，停止按鈕和手動(dòng)/自動(dòng)切換按鈕，以及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)(內(nèi)外遮陽網(wǎng)、天窗、側(cè)窗、濕簾外窗、環(huán)流風(fēng)機(jī)、濕簾風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光燈、CO2發(fā)生器、加熱水栗、熱風(fēng)爐風(fēng)機(jī))的手動(dòng)開關(guān)和部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)(內(nèi)外遮陽網(wǎng)、天窗、側(cè)窗、濕簾外窗)的限位開關(guān)。
[0024]PLC作為主控制器主要完成溫室環(huán)境參數(shù)的采集與處理，控制相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和故障報(bào)警等功能。當(dāng)系統(tǒng)上電后，PLC首先進(jìn)行初始化，即對(duì)上位機(jī)傳過來的環(huán)境閾值進(jìn)行設(shè)置和對(duì)用于采集數(shù)據(jù)寄存器，輔助寄存器定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，以及輸入輸出寄存器進(jìn)行初始化。當(dāng)ZigBee協(xié)調(diào)器將采集到的溫室內(nèi)部的四種環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)傳給系統(tǒng)的主控制器PLC，PLC根據(jù)上位設(shè)置的環(huán)境閾值對(duì)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)控制，通過對(duì)相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，使作物能夠在適宜的環(huán)境下生長。作為主控制器的PLC有自動(dòng)和手動(dòng)兩種工作方式，正常情況下工作在自動(dòng)控制模塊，而手動(dòng)工作模式應(yīng)用與設(shè)備安裝調(diào)試或者執(zhí)行設(shè)備出現(xiàn)故障的時(shí)候。
[0025]本實(shí)施例中，所述的ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、ZigBee路由器和ZigBee協(xié)調(diào)器中的無線單片機(jī)選用TI公司生產(chǎn)的CC2530F256型單片機(jī)。
[0026]ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)的采集，如圖2所示，ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)包括無線單片機(jī)以及與無線單片機(jī)相連接的傳感器模塊、電源模塊、無線耦合匹配模塊和液晶顯示模塊，傳感器模塊包括溫濕度傳感器(SHTl I)，光照度傳感器(TSL2561)和二氧化碳傳感器(TGS4160)，液晶顯示模塊采用LCD12864芯片，用于顯示傳感器現(xiàn)場所采集的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，便于工作人員進(jìn)行調(diào)試和查看，無線耦合匹配模塊采用單級(jí)天線，電源模塊采用3節(jié)1.5V干電池作為供電電源，將電池分別通過DC/DC芯片HT7333和LTC3440實(shí)現(xiàn)將4.5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V和5V的電壓，以滿足CC2530和不同元器件的供電需求。
[0027]ZigBee協(xié)調(diào)器是整個(gè)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的核心，它的主要任務(wù)是維持和管理無線網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)，接收從ZigBee路由器發(fā)送過來的環(huán)境參數(shù)，并且通過RS232轉(zhuǎn)RS485串口將所采集到環(huán)境參數(shù)送到PLC，如圖3所示，所述的ZigBee協(xié)調(diào)器包括無線單片機(jī)以及與無線單片機(jī)相連接的通訊模塊、電源模塊，無線耦合匹配模塊、鍵盤模塊和液晶顯示模塊，通信模塊通過芯片SP3223E來完成ZigBee協(xié)調(diào)器的RS232串口設(shè)計(jì)，ZigBee協(xié)調(diào)器通過采用RS-232和RS-485轉(zhuǎn)換器(JaRa2102D)來實(shí)現(xiàn)與PLC的通信，液晶顯示模塊采用LCD12864芯片，用于顯示各個(gè)ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)所采集的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，鍵盤模塊設(shè)計(jì)了四個(gè)按鍵，分別為SET，UP，OK和CANCEL，通過這些按鍵，可以進(jìn)行LCD顯示的設(shè)置。按下SET進(jìn)入設(shè)置頁面時(shí)，LCD顯示接收到節(jié)點(diǎn)的信息列表，按下UP鍵可以選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)，再按下OK鍵就選定該節(jié)點(diǎn)，LCD就會(huì)顯示該數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)所采集的環(huán)境參數(shù)信息，CANCEL按鍵用來取消。由于ZigBee協(xié)調(diào)器一直處于工作狀態(tài)，因此采用外接有線的方式進(jìn)行供電，電源模塊采用5V電源，通過穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換芯片AMS1117來完成節(jié)點(diǎn)要求的3.3V穩(wěn)定工作電源。
[0028]ZigBee路由器主要任務(wù)是接收從ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)到ZigBee協(xié)調(diào)器上，如圖4所示，所述的ZigBee路由器包括無線單片機(jī)以及與無線單片機(jī)相連接的電源模塊，無線耦合匹配模塊、鍵盤模塊和液晶顯示模塊，其大部分硬件電路與ZigBee協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)相似，只是少了通訊模塊。
[0029]基于ZigBee和PLC的溫室控制系統(tǒng)的工作過程:
[0030]ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)中的傳感器模塊將實(shí)時(shí)采集溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照度和二氧化碳濃度等參數(shù)，并通過無線耦合匹配模塊將這些數(shù)據(jù)無線發(fā)送到ZigBee路由器，再由路由器傳送到ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器通過串口將各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送給PLC，作為主控制器的PLC根據(jù)從ZigBee協(xié)調(diào)器傳送來的數(shù)據(jù)和上位機(jī)預(yù)先設(shè)定好的環(huán)境參數(shù)閾值控制溫室內(nèi)的各個(gè)執(zhí)行設(shè)備，對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以滿足不同農(nóng)作物的生長要求。同時(shí)PLC通過RS485轉(zhuǎn)RS232轉(zhuǎn)換器將所接收到的數(shù)據(jù)和各執(zhí)行設(shè)備的狀態(tài)等相關(guān)信息傳送給上位機(jī)，上位機(jī)可以將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和歷史查詢。上位機(jī)還可以發(fā)送設(shè)置好的環(huán)境參數(shù)閾值和相關(guān)控制指令給PLC，從而監(jiān)控整個(gè)溫室系統(tǒng)，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室的自動(dòng)化檢測與控制。
[0031]本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)具有可靠性高，組網(wǎng)靈活，功耗低等特點(diǎn)，可以很好的解決有線通信方式布線麻煩，維護(hù)困難和溫室監(jiān)控系統(tǒng)可靠性不高等問題，在智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有著良好推廣應(yīng)用價(jià)值。
[0032]以上所述，僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本實(shí)用新型做任何形式上的限制，凡是依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡單修改，等同變化，均落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于ZigBee和PLC的溫室控制系統(tǒng)，其特征在于，包括上位機(jī)、ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、ZigBee路由器、ZigBee協(xié)調(diào)器、PLC、開關(guān)輸入模塊和執(zhí)行輸出模塊，所述PLC分別與上位機(jī)、ZigBee協(xié)調(diào)器、開關(guān)輸入模塊、執(zhí)行輸出模塊相連接，所述的ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與ZigBee路由器相連接，所述的ZigBee路由器與ZigBee協(xié)調(diào)器相連接，所述的ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)包括無線單片機(jī)以及與無線單片機(jī)相連接的傳感器模塊、電源模塊、無線耦合匹配模塊和液晶顯示模塊，所述的ZigBee路由器包括無線單片機(jī)以及與無線單片機(jī)相連接的電源模塊，無線耦合匹配模塊、鍵盤模塊和液晶顯示模塊，所述的ZigBee協(xié)調(diào)器包括無線單片機(jī)以及與無線單片機(jī)相連接的通訊模塊、電源模塊，無線耦合匹配模塊、鍵盤模塊和液晶顯示模塊，所述的執(zhí)行輸出模塊包括連接在PLC上的繼電器模塊。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ZigBee和PLC的溫室控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的執(zhí)行輸出模塊還包括與繼電器模塊相連接的遮陽網(wǎng)執(zhí)行電機(jī)、天窗側(cè)窗執(zhí)行電機(jī)、濕簾風(fēng)機(jī)、環(huán)流風(fēng)機(jī)、濕簾外窗電機(jī)、補(bǔ)光燈、CO2發(fā)生器、加熱水栗和報(bào)警燈。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ZigBee和PLC的溫室控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的傳感器模塊包括溫濕度傳感器，光照度傳感器和二氧化碳傳感器。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ZigBee和PLC的溫室控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、ZigBee路由器和ZigBee協(xié)調(diào)器中的無線單片機(jī)型號(hào)選用CC2530單片機(jī)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ZigBee和PLC的溫室控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的PLC選用西門子S7-200系列的CPU226。
【文檔編號(hào)】G05D23/20GK205450821SQ201620179582
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月2日
【發(fā)明人】楊征航, 賴忠喜
【申請(qǐng)人】楊征航, 臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 賴忠喜